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1. 引言
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??? 隨著汽車工業和微電子技術的發展，汽車空調的應用越來越普及，人們對汽車空調系統性能的要求也越來越高。現代化的汽車空調就是能將汽車室內空間的環境調整到對人體最適宜的狀態，創造良好的車內環境，以提高司機的工作效率和保護乘員的身體健康。目前高檔轎車中用各種微處理器完成各種控制[1]，其數量多達數十個。考慮到汽車電子技術的發展趨勢，以后使用現場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）等進行功能整合亦是大勢所趨，所以本文選用Xilinx 公司的SpartanIII 型FPGA—X3S400 為系統主控芯片，DALLAS 公司的1-Wire 數字化溫度傳感器DS18B20 為溫度測量元件，以夏利轎車為實驗對象，對汽車空調溫控系統進行了模擬實驗設計。FPGA—X3S400 相當于40 萬門，當然這是設計開發和功能驗證用，實際的商業應用可以選擇恰當規模的芯片。
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2. 汽車空調系統的基本原理
??? 汽車空調的配氣形式很多，目前最常用的是空氣混合式和全熱式兩種?？諝饣旌鲜焦ぷ鬟^程為：車外空氣+車內空氣→進入風扇→混合空氣入蒸發器→由風門調節一部分空氣進入加熱器→進入各通風口。這種配氣方式的優點是能節省部分冷量，缺點是冷暖風不能均勻混合，處理的空氣參數精度較差。全熱式配氣系統則剛好與其相反。在空氣混合式風道的基礎上進行一些改動可以達到多個溫區送風的目的。多溫區風道的設計提出了一種結合兩種配氣方式的優點并實現多個溫區送風的概念。
3. 汽車空調溫度場的分布與測量
3.1. 車廂內溫度舒適性參數
??? 影響汽車空調舒適性的各因素按重要程度來排序，依次是溫度、濕度、空氣流速、噪聲、壓力、氣味、灰塵、細菌等。本文著重討論車廂內溫度對人體舒適性的影響。
(1)車內平均溫度
??? 夏季人體感到舒適的溫度是24～26℃，由舒適轉為不太舒適的分界線是28℃左右。當車外氣溫為35℃時，可把28～29℃作為我國普通車輛夏季車內設計溫度的基礎。對于高級車輛，車內空調溫度可定在27℃左右。當冬季環境溫度為-15℃時，16～25℃是人體感到舒適的范圍。車內平均溫度推薦值為：夏季25～28℃，冬季為15～18℃。
(2)車內外溫差
??? 考慮車內溫度時，對車內外溫差也有一定限制，夏季溫差一般宜為5～7℃，車外溫度過高時，宜保持在8～10℃，可可增至10～12℃范圍內。
(3)車內溫度場分布
??? 鐵道部標準TB1951—87 給出了車廂內各方向溫差的合理范圍。它要求的車廂溫度場分布如下：夏季車內同一水平面和同一鉛垂線的最大溫差均不應超過3℃，頭部溫度低于足部約2℃左右；冬季頭部低于足部溫度約4～6℃；水平方向的氣溫不均勻度應控制在1.5℃范圍內。
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3.2 溫度場測試方案設計
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??? 溫度場的檢測方法有聲波法、光學干涉儀法、分布式光纖測溫法等。本文從實際條件和需要出發，選擇溫度傳感器分布式直接檢測法[3]。單總線技術（1-Wire Bus）是美國Dallas公司的專利技術，目前已經形成一種規范，其最大的優點是全部總線和供電線都依賴于一條單一的信號線，而基于這種技術的數字芯片和產品已經得到了廣泛的應用，它在硬件上的簡捷為各種應用系統的小型化創造了極其有利的條件。DALLAS 提供的支持1-Wire 單線[4]的數字化溫度傳感器DS18B20，其測量溫度范圍為 -55℃～125℃，精度為0.5℃(本設計中能全程測溫，經過插值運算后的精度為0.1℃)。其特性完全滿足車內環境的溫度檢測。
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??? DS18B20 的電源供電方式有2 種：外部供電方式和寄生電源方式[5]。本試驗中，選擇外部供電方式。DS18B20 的封裝為3 腳方式。其中DQ 為數字信號輸入/輸出端，GND 為電源地，VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。多個DS18B20 與控制器的連接如圖1 所示。
3.3 DS18B20 的分布與安裝
??? 國家標準GB/T 12782-1991《汽車采暖性能試驗方法》規定了關于汽車采暖性能的試驗方法。參考該標準，以夏利為試驗車，測溫點的選擇與安排如下：
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??? 測點的布置將以座椅的R 點為基準點，取R 點上方700mm 處為測溫平面。在測溫平面約1800mm×1200mm 的矩形邊界內安放10 個數字溫度傳感器構成了車廂頭部平面測溫網。同時在各乘員的腹部、足部各布置一個測點。足部的測溫點離地板50mm，處于 R 點的前方800mm；腹部的測溫點在R 點上方300mm，前方250mm 處。
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4. 系統硬件電路設計
4.1 主控芯片XC3S400
??? 控制電路以 Xilinx 公司的Spartan-III 系列XC3S400 型FPGA 芯片為核心。Spartan-III 系列FPGA 結構[6]包括5 個基本的可編程功能單元：可配置邏輯塊(CLB)，輸入/輸出模塊(IOB)，Block RAM 模塊，乘法器模塊以及數字時鐘管理模塊(Digital Clock Manager，DCM)。這些單元的組織方式如圖2 所示。Spartan-III 系列有豐富的連線和開關網絡，用來連接5 個功能單元并在它們之間傳輸數據。在一片FPGA 上即可進行軟硬件的協同
設計，為實現片上可編程系統(SOPC，System On Programmable Chip)提供了強大的硬件支持。
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??? 要完成系統設計，需要建立開發平臺，FPGA 的最小片上系統包括電源模塊，外部時鐘模塊，復位電路和下載配置電路。配置模塊為FPGA 提供存儲配置空間，存儲FPGA 中應用的程序代碼和數據。FPGA 還可以通過電纜進行編程而不需要外部存儲器件。針對Xilinx的FPGA 和PROM 芯片的配置和編程有兩個目的：生成一個配置或編程的文件并將文件下載到器件。本系統中選擇主從模式對Spartan-3 系列FPGA 芯片XC3S400 進行配置。其引腳排列如圖3 所示。
圖3 Spartan-III 系列XC3S400 芯片的引腳配置
4.2 硬件總體結構方案的設計
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??? 汽車空調系統原理框圖如圖5 所示。此系統采用的控制策略是遞階復合PID—Fuzzy 控制，它包括兩個控制環節，整車空調的集中控制和多溫區分布控制。系統主要包括以下五個部分：
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??? （1）FPGA 及其配置電路。FPGA 根據測量電路反映的狀態變化經控制程序模塊確定的占空比輸出PWM 控制脈沖，數據處理及控制部分均在FPGA 中實現。
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??? （2）多溫區測控電路。采用溫度傳感器分布式直接檢測法，可對多個溫區內的多個點的溫度進行自動檢測；選擇DALLAS 公司提供的支持1-Wire 總線的數字化溫度傳感器DS18B20 組建分布式測溫網絡來檢測溫度場。
??? （3）整車空調控制電路。包括汽車空調制冷或供熱量的調節和控制，作為實驗系統空調制冷或供熱的調節對象選用直流電機，采用PWM 方法來調節驅動電機的轉速，從而達到控制目的。
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??? （4）多溫區風道控制電路。這是系統的第二控制層，根據不同溫區的控制要求，向各出風口配送不同風量，并且控制各出風口的開角；該部分是機械結構，在模擬實驗系統中用PWM 方法控制直流電機轉速予以模擬。
??? （5）人機接口電路。配置鍵盤，LED 指示燈和數碼管等。
5. 軟件總體方案設計
??? XC3S400 芯片所使用的開發軟件為ISE 系列產品。ISE 是集成綜合環境的簡稱，它是
Xilinx FPGA 的綜合性集成設計平臺，該平臺集成了從設計輸入、仿真、邏輯綜合、布局布
線與實現、時序分析、芯片下載與配置、功率分析等幾乎所有設計流程所需工具。軟件設計
流程如圖5 所示。
??? 本設計選用 ISE7.1i 版本進行綜合、布局、布線，在 ISE 中調用Modelsim6.0 仿真工具進行仿真[7]。軟件設計包括時鐘發生模塊，分頻模塊，DS18B20 溫度采集模塊，空調智能控制模塊，多溫區風道控制模塊，用戶接口模塊，以及PWM 產生模塊等。各軟件設計模塊總體關系框圖如圖6 所示。程序采用C 語言編寫。
6. 結論
??? 該汽車空調智能溫控模擬實驗系統設計中采用了40 萬門的Xilinx 公司Spartan-III 系列XC3S400 型FPGA 芯片為主控芯片，采用1-Wire 技術設計了溫度場檢測網絡，使得系統硬件簡捷，可擴展性能強；不僅滿足了人們對汽車空調系統性能的高要求；而且為汽車電子控制的功能整合做出了有益的探索。在模擬實驗系統中搭建了基于Xilinx 的FPGA 芯片的實驗平臺，根據數字溫度傳感器DS18B20 采集的數據，產生PWM 的輸出控制信號，模擬整車空調的集中控制和多溫區分布控制。系統的軟硬件均通過了測試，仿真實驗結果表明對多溫區控制性能良好，系統運行穩定可靠。
參考文獻
[1] 夏群生，李建秋．汽車電子學[M].北京：清華大學出版社，2005．
[2] 趙超越．汽車自動空調控制器的研究[D].哈爾濱工業大學，2004.
[3] 袁偉亭，周潤景．FPGA 與DS18B20 組成的測溫系統的設計[J].內蒙古大學學報：自然科學版，2006，
37(4)：459-463
[4] DS18B20 Programmable Resolution 1-wire Digital Thermometer [EB/OL].www.maxim－ic.com.
[5] DS18B20 Datasheet [EB/OL].Dallas: Dallas Semiconductor Corporation, 2005.
[6]薛小剛,葛毅敏．Xilinx ISE 9.X FPGA/CPLD 設計指南[M]．北京：人民郵電出版社，2007．
[7]San Jose. X-BLOX Design Tool User Guide. Xilinx Inc, California, 1992:2．
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